透射式位相光栅及限幅器模型的性能参数测量研究

摘要

高能脉冲激光的出现使得光限幅器成为研究热点。本研究设计了一种位相光栅型激光限幅器，可以有效防护高功率激光辐射对传感器和人眼的破坏。在位相光栅型激光限幅器中，最为关键的部件是透射式位相光栅，它的光学性能的好坏直接关系到激光限幅器能否按照设计要求正常工作。因此，对透射式位相光栅的表面形貌和光学性能进行精确测量就显得极其重要，测量工作对于评价光学元件质量、优化制作工艺、提高元器件光学性能都有着十分重大的意义。
　　 本文围绕着透射式位相光栅的表面形貌和光学性能，以及位相光栅型激光限幅的光学性能等问题，从基础理论探讨、测量系统的设计和研制、实验数据的分析和处理三个方面展开研究工作。具体成果和结论概述如下：
　　 1.分析和讨论了微结构表面形貌测量技术的研究现状。对表面形貌测量技术进行分类和总结，着重研究和讨论了位相测量技术的发展现状和应用意义。
　　 2.从标量理论和角谱理论两方面分析和研究了光波的衍射作用，推导出了透射式位相光栅衍射角及衍射效率计算公式。
　　 3.深入研究和分析了位相测量法的基本原理和实现方法，将位相测量法应用于透射式位相光栅表面形貌的测量中。设计并建立了一套以传统的马赫一曾德尔干涉仪为基础的位相干涉测量系统，运用位相测量法获取了透射式位相光栅的位相信息，并通过傅里叶变换、频谱滤波及位相解包裹运算计算出光栅的表面形貌，包括光栅的高度、周期和底角等结构参数。将位相测量法的结果与用原子力显微镜的测量结果相比较，相对误差不超过3％。
　　 4.给出了透射式位相光栅的衍射角和衍射效率的计算方法和计算结果。设计并建立实验测量系统对透射式位相光栅的衍射角和衍射效率进行测量，实验结果与理论计算值非常吻合。
　　 5.设计并建立了一套位相光栅型激光限幅器模型和测量系统，对位相光栅型激光限幅器模型的光学性能进行了测试和测量。实验结果表明，位相光栅型激光限幅器能够满足设计要求。

目录

文摘

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第一章 绪论

第一节 位相光栅型激光限幅器

第二节 微结构表面形貌测量技术概述

第三节 位相测量技术的发展和意义

第四节 本论文的主要研究内容

第二章 光栅衍射理论

第一节 光栅衍射理论概述

第二节 标量衍射理论

2.2.1 惠更斯-菲涅耳原理与基尔霍夫衍射

2.2.2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射

第三节 衍射的角谱理论

2.3.1 角谱的传播

2.3.2 衍射屏对角谱的效应

第四节光 栅的基本原理

2.4.1 光栅的透射函数

2.4.2 光栅方程

第五节 透射式位相光栅衍射效率的计算

第三章 透射式位相光栅的位相测量

第一节 位相测量概述

第二节 位相测量原理

3.2.1 干涉的基本原理

3.2.2 傅里叶变换法

3.2.3 傅里叶变换法的数值实现

3.2.4 位相解包裹

3.2.5 光栅表面形貌的测量和计算

第三节 位相干涉测量系统

3.3.1 测量系统的构成

3.3.2 测量系统的调试

第四节 实验数据处理

3.4.1 干涉图采集与傅里叶变换

3.4.2 频域滤波与逆傅里叶变换

3.4.3 位相解包裹

第五节 实验结果讨论与分析

3.5.1 实验结果分析

3.5.2 测量系统分辨率

3.5.3 误差分析

第四章 透射式位相光栅光学性能的测量

第一节 衍射角

4.1.1 衍射角的计算

4.1.2 衍射角的测量

4.1.3 实验结果讨论及误差分析

第二节 衍射效率

4.2.1 衍射效率的定义

4.2.2 衍射效率的测量

4.2.3 实验结果讨论及误差分析

第五章 位相光栅型激光限幅器模型的光学性能测量

第一节 位相光栅衬底材料的选择

第二节 非线性介质的选择

第三节 位相光栅型激光限幅器模型及测量系统

第四节 光学性能测量

5.4.1 弱光条件下的光学性能

5.4.2 强光条件下的光学性能

第五节 实验结果分析与讨论

第六章 总结和展望

第一节 本文总结

第二节 展望

参考文献

致 谢

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